新型楞次定律閃光演示儀

程 柏

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師高級(jí)中學(xué) 新疆 伊犁 833200)

(收稿日期：2016-05-09)

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新型楞次定律閃光演示儀

程 柏

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師高級(jí)中學(xué) 新疆 伊犁 833200)

(收稿日期：2016-05-09)

楞次定律表述感應(yīng)電流的方向十分抽象，規(guī)律十分隱蔽，直接通過教材里的“螺線管四組實(shí)驗(yàn)”很難會(huì)想到利用“中介”——感應(yīng)電流的磁場(chǎng)來揭示規(guī)律，并且實(shí)驗(yàn)中沒能將“中介”方向直觀地顯示出來，這對(duì)于學(xué)生理解感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與引起感應(yīng)電流的磁通量變化之間的關(guān)系帶來認(rèn)知負(fù)荷的超標(biāo)，從而難以發(fā)現(xiàn)或者描述其中的規(guī)律.為此，筆者特別制作了教具——新型楞次定律閃光演示儀，通過延長(zhǎng)發(fā)光二極管閃光時(shí)間，引發(fā)學(xué)生的視覺享受，直觀地展現(xiàn)“增反減同”的規(guī)律，迅速突破“表述”的難點(diǎn)，同時(shí)極大提高了學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象探究的樂趣.

楞次定律 閃光 演示儀

1 演示效果

教具實(shí)物如圖1所示，新型楞次定律閃光演示儀的構(gòu)造原理，是將線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過信號(hào)輸入電路、延時(shí)整形電路及信號(hào)放大閃光電路，激勵(lì)線圈兩側(cè)發(fā)光二極管閃光且延時(shí)1 s，通過線圈兩側(cè)閃光的紅藍(lán)不同，能直觀顯示出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)極性，從而迅速判斷出和條形磁鐵磁場(chǎng)方向相同或相反的關(guān)系，凸顯了“阻礙”的含義，便于學(xué)生總結(jié)出“增反減同”的規(guī)律.

(a)

(b)

(c)

2 工作原理

如圖2所示，整個(gè)電路除線圈L和靈敏電流計(jì)外，可分為上、下兩個(gè)完全相同的部分.它們分別擔(dān)任磁鐵插入線圈或拔出線圈時(shí)，不同極性信號(hào)的“微安表顯示”任務(wù)與“閃光顯示”任務(wù).上下部分電路均由信號(hào)輸入電路、延時(shí)整形電路和信號(hào)放大閃光電路組成.為便于說明，電路上半部分元件，在每個(gè)元件均加了數(shù)字1，如：1R1,1C1；而下半部分每個(gè)元件符號(hào)都加了數(shù)字2，如：2R1,2C1.

演示時(shí)，先閉合開關(guān)，接通電源.當(dāng)條形磁鐵N極(紅色)從線圈L的A端插入時(shí)，感應(yīng)電流由線圈L的A端側(cè)流出，一路經(jīng)過電流計(jì)到R0，再到線圈B端.電流計(jì)指針向右偏轉(zhuǎn)，顯示感應(yīng)電流的方向和大小.另一路則是經(jīng)過二極管2D1到三極管2BG2的基射極到電容2C2到電容2C1到二極管2D2到線圈B端，形成一輸入回路，這一輸入型號(hào)經(jīng)過2BG1和2BG2組成的單穩(wěn)態(tài)整形電路后，由2BG2的集電極輸出一矩形方波，通過二極管2D3和2D4耦合和三極管2BG3的放大，推動(dòng)晶體管2BG4,2BG5,2BG6,2BG7導(dǎo)通，使得線圈A端一側(cè)的9個(gè)紅色LED二極管和線圈B端一側(cè)9個(gè)藍(lán)色二極管通電發(fā)光1 s，借以顯示此時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與磁鐵的磁場(chǎng)方向相反的關(guān)系.

同理，當(dāng)條形磁鐵N極從線圈L中抽出時(shí)，感應(yīng)電流由線圈L的B端流出，一路經(jīng)過R0到電流計(jì)，回到線圈A端，電流計(jì)的指針向左偏轉(zhuǎn)，顯示感應(yīng)電流的大小和方向.另一路則經(jīng)過二極管1D1到三極管1BG2的基射極到電容1C2到電容1C1到二極管1D2到線圈A端，形成一輸入回路，這一輸入型號(hào)經(jīng)過1BG1和1BG2組成的單穩(wěn)態(tài)整形電路后，由1BG2的集電極輸出一矩形方波，通過二極管1D3和1D4耦合和三極管1BG3的放大，推動(dòng)晶體管1BG4,1BG5,1BG6,1BG7導(dǎo)通，使得線圈A端一側(cè)的9個(gè)藍(lán)色LED二極管和線圈B端一側(cè)9個(gè)紅色二極管通電發(fā)光1 s，借以顯示此時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與磁鐵的磁場(chǎng)方向相同的關(guān)系.同理可演示S極插入和拔出情況，或從B端插入拔出情況.

圖2 電路圖

以上正是教師講解楞次定律時(shí)，需要學(xué)生直觀感覺的重點(diǎn)演示現(xiàn)象，學(xué)生從而深刻感悟到“中介”——感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的引入對(duì)研究及表述規(guī)律(感應(yīng)電流的方向特點(diǎn))方便的巧妙，迅速突破楞次定律的“阻礙”內(nèi)涵這一重難點(diǎn).這既方便了教師講解，又能引發(fā)學(xué)生的視覺享受，從而激發(fā)濃厚的探究興趣，提高了教學(xué)效果.

3 組裝結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在線圈中插入鋁塑管，左右兩側(cè)各套兩個(gè)半透明、裝茶葉的圓柱盒，內(nèi)置紅藍(lán)發(fā)光二極管，放置在凹型支架上；塑料管前后各粘一小圓柱形釹鐵硼磁鐵，做成圓柱形磁鐵可自由在兩側(cè)圓柱盒內(nèi)插拔，引發(fā)閃光；各線圈紅黑兩個(gè)接線柱置于綠色方形底座盒上，便于觀察左側(cè)的靈敏電流計(jì).

(a)

(b)

(c)

圖4是演示儀外形圖,線圈線路以及延時(shí)整形電路及信號(hào)放大閃光電路均隱藏在底座盒內(nèi)，盒面上有電源開關(guān)及對(duì)應(yīng)工作指示燈.整個(gè)電路在靜態(tài)時(shí)，工作電流約為10 mA，如用大號(hào)干電池，能工作很長(zhǎng)時(shí)間，可謂經(jīng)濟(jì)耐用.整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)固，容易自制，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯著，課堂實(shí)踐效果好.

圖4 演示儀外形圖